EP0013866A1 - Stromversorgung zur Speisung von ohmisch-induktiven Lasten - Google Patents

Stromversorgung zur Speisung von ohmisch-induktiven Lasten Download PDF

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EP0013866A1
EP0013866A1 EP79810179A EP79810179A EP0013866A1 EP 0013866 A1 EP0013866 A1 EP 0013866A1 EP 79810179 A EP79810179 A EP 79810179A EP 79810179 A EP79810179 A EP 79810179A EP 0013866 A1 EP0013866 A1 EP 0013866A1
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converter
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a power supply for an ohmic-inductive load with a rectifier, filter means and auxiliary circuits, which have, inter alia, an oscillator which controls switching means, and switches which are controlled by said switching means in order to increase said load with the aid of the voltage dine, which is at least indirectly supplied by the rectifier and chopped by the switching means mentioned at the frequency of the oscillator.
  • Such a device can be used, for example, but not exclusively, to operate gas discharge lamps.
  • the luminous flux of the lamp In the conventional operating mode of these lamps, namely in series with a series choke on the mains, the luminous flux of the lamp more or less follows the curve shape of the mains voltage. This can lead to undesirable side effects such as stroboscopic effects, discomfort due to flickering, etc.
  • a commutation capacitor is necessary for the short time of the switching process, which carries the load current during this time.
  • This capacitor protects the switches, which can be transistors, for example, and reduces switching losses. The best effect is achieved with a relatively large commutation capacitor. If, however, the commutation is not carried out by the load which normally has an inductive component, for example in idle mode, the losses which result from the constant reloading of the capacitor via the transistors at a frequency of normally a few tens of kilohertz, in proportion to the value of the capacitor.
  • the aim of the present invention is to realize a device for operating ohmic-inductive loads without the disadvantages mentioned above.
  • This device device should have a relatively large commutation capacitor without the disadvantage of high no-load losses, draw an at least approximately sinusoidal current from the network and be as efficient as possible, so that a compact design without heat dissipation problems is possible.
  • FIG. 1 shows that the mains voltage is rectified in a rectifier G and smoothed with the smoothing capacitor C3, so that a direct voltage of approximately + 300 V is produced with a low residual ripple.
  • This voltage is used to supply the load L, which is in series with the primary winding of the transformer T3, which acts as a series choke, in the diagonal of the bridge formed from S1-S4, the bridge transistors being controlled via the secondary windings of the transformers T1 and T2.
  • the transistors S1-S4 are further connected to the diodes D1-D4 which act as free-wheeling diodes and are located between the emitter and the collector.
  • a commutation capacitor Cl is also in the diagonal of the bridge consisting of S1-S4.
  • the secondary winding of the transformer After rectification with the diode D7 and smoothing by the capacitor C2, the secondary winding of the transformer generates the supply voltage of, for example se 15 V for the auxiliary circuit.
  • a resistor R2 connects the positive poles of the voltages of 300 V and 15 V.
  • the auxiliary circuit for controlling the bridge consists of an oscillator with a frequency of 80 kHz, for example, which operates on the clock input of the D flip-flop FF1, whose outputs Q and Q control the AND gates 2 and 3 of the logic still consisting of the AND gate 1.
  • the inputs of gate 1 are connected to the oscillator A1 and to the threshold detector or Schmidt trigger A2.
  • the output of the threshold detector becomes positive when the supply voltage reaches 15 V and tilts back when the voltage drops below 10 V.
  • gate 1 If the output of A2 is positive, gate 1 is open and switches the output signal of the oscillator to gates 2 and 3. These transmit the pulses of the oscillator alternately to the bases of the transistors S5 and S6, so that each of these transistors receives a control signal with half the oscillator frequency, ie 40 kHz, for example.
  • Transistors S5 and S6 operate on the primary windings of transformers T1 and T2.
  • the auxiliary circuit therefore causes the load L to receive an alternating voltage with a frequency of approximately 40 kHz and a peak voltage of approximately 300 V via the series choke T3.
  • the live Transistor pair e.g.
  • the load current is taken over for a short time by the commutation capacitor Cl in order to be guided by the freewheeling diodes D1 and D4 after commutation has taken place, so that the load current which continues to flow as a result of the inductive portion of the load now is passed through Dl, C3, D4.
  • the other transistor pair, S1 and S4 are switched on.
  • the DC link voltage of about 300 V is generated at the rectifier G, but the bridge does not work because there is no supply voltage for the auxiliary circuit.
  • smoothing capacitor C2 charges through resistor R2.
  • the time constant R2 C2 is chosen so that C2 charges to 15 V practically linearly in about 10 seconds.
  • the threshold switch A2 opens the gate 1 and thus enables the activation of the transistors S5 and S6 and thus also of the bridge transistors S1-S4 via T1 and T2. If there is no load L, no current flows through T3 and the secondary winding does not develop, despite the bridge now working Tension.
  • the capacitor C2 discharges very quickly via T1, S5 and T2, S6, the threshold switch A2 _ tilts back and interrupts the activation of S5 and S6.
  • the voltage at C2 now rises again and the whole thing is repeated, so that a sawtooth voltage with a peak value of 15 V is produced at C2.
  • the bridge Without load L, the bridge therefore only remains in operation for a very short time.
  • the ratio of operating time to interruption time is very small, so that on average the losses caused by the commutation capacitor Cl in the transistors S1-S4 during operation without load L remain correspondingly small.
  • the commutation capacitor C1 would have to be made much smaller in order to keep the losses during idle operation within limits. However, this reduction results in higher switching losses in the transistors S1-S4 when operating with load L.
  • the principle presented avoids these disadvantages and leads to small losses in idle and in operation.
  • the circuit according to FIG. 1 has the disadvantage that the current consumed by the network is strongly distorted instead of sinusoidal, which, as mentioned above, is not approved by the electricity suppliers in systems with larger connected loads and require the use of complex filter media would.
  • a suitable method is to connect the rectifier G in FIG. 1 with a flyback converter in accordance with FIG. 2.
  • the smoothing capacitor C3 in FIG. 1 is greatly reduced, so that practically no smoothing, but only filtering for higher frequencies takes place.
  • the input voltage U 1 at the inputs B1 and B2 of the flyback converter is a two-way rectified, non-smoothed direct voltage with a sinusoidal profile.
  • the flyback converter contains a switch, for example a transistor, which receives pulses of constant duration at the base by means of a control circuit (not shown in FIG. 2).
  • the collector of transistor S7 is connected to connection B1 and the emitter is connected to connection B2 via a storage inductor T5.
  • the transistor S7 is protected with a protective diode D9 which is connected between the collector and emitter and a commutation network consisting of the commutation capacitor C K , the resistor R and the diode D8 which is connected in parallel with T5.
  • the circuit contains a smoothing capacitor C4 of relatively large capacitance and a rectifier diode D10.
  • the circuit according to FIG. 2 has the after Part that every time the transistor S7 is switched on, the commutation capacitor C K must be recharged to the value of Ul via the resistor R K , which leads to considerable losses in R at frequencies of a few tens of KHz and thus significantly reduces the overall efficiency.
  • the scheme in Figure 4 shows an improved version of the flyback converter which eliminates the losses in R K.
  • the bridge and thus indirectly also the load L are fed by the negative voltage U2 at C4.
  • the flyback converter was supplemented by a saturation choke T4 in series with the storage choke T5, which can also contain a secondary winding.
  • the commutation network C K , R and D8 from FIG. 2 have been replaced by the commutation capacitor C5, which is connected in parallel with the chokes T4 and T5 and forms a resonance circuit with them.
  • the other elements, such as S7, D9, D10 and C4, are the same as in FIG. 2.
  • the transistor S7 is driven by the secondary winding of the transformer T7, which belongs to the control circuit of the flyback converter, not shown here.
  • the function of the flyback converter in FIG. 4 is explained on the basis of the diagram in FIG. 5.
  • auxiliary circuits can be supplied with voltage via a secondary winding of the storage choke T5.
  • Another possibility is to get this voltage from a secondary winding of T6 (not ge 1), which would also apply the principle of FIG. 1 here.
  • FIG. 6 shows the block diagram of the control circuit for the transistor S7 in FIG. 4.
  • the zero crossing detector 4 of the current in T5 triggers a pulse to the base of the transistor S7 with each positive zero crossing through the amplifier 6.
  • the width of this pulse is determined by the pulse width modulator 5, the modulation input of which is connected to the output of the voltage regulator 7, which keeps the voltage U2 at the terminals of the capacitor C4 constant.
  • the pulse duration remains constant for a constant load and input voltage.
  • the invention described above is not limited to a device for operating high-pressure mercury lamps, but rather can be used for any inductive or ohmic-inductive load.
  • the circuit for obtaining a sinusoidal mains current can be used for any application with a DC link.

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Abstract

Die Vorrichtung enthält einen Sperrwandler, der den durch einen Gleichtrichter (G) gelieferten Strom mit einer relativ hohen Frequenz zerhackt, so daß der vom Netz aufgenommene Strom nach Ausfilterung der höherfrequenten Anteile annähernd sinusförmig ist. Der Sperrwandler enthält einen Transistor (S7), der mit Impulsen von annähernd konstanter Dauer und Repetitionsfrequenz angesteuert wird und der so eine Folge von linear steigenden Stromimpulsen in eine Speicherdrossel (T5) liefert, die in Serie zu einer Sättigungsdrossel (T4) geschaltet ist und deren Strom einen Kondensator (C4) über eine Diode (D10) lädt. Ein Kondensator (C5) parallel zu (T4) und (T5) bildet mit diesen einen Schwingkreis, was das Einschalten des Transistors (S7) im Stromnulldurchgang des Schwingkreisstromes, wo die Spannung am genannten Kondensator durch eine Diode (D9) auf dem Wert der durch den Gleichrichter (G) gelieferten Spannung gehalten wird, gestattet. Die Stromversorgung der Hilfskreise erfolgt durch eine Sekundärwicklung auf (T5) oder (T6). Neben der sinusförmigen Stromaufnahme erreicht man somit einen guten Wirkungsgrad, was einen kompakten Aufbau ermöglicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgung für eine ohmisch-induktive Last mit einem Gleichrichter, Filtermitteln und Hilfskreisen, die unter anderem einen Oszillator, welcher Schaltmittel steuert, aufweisen und Schalter, die durch die genannten Schaltmittel gesteuert werden um die genannte Last mit Hilfe der Spannung zu speisen, die mindestens auf indirektem Wege durch den genannten Gleichrichter geliefert und durch die genannten Schaltmittel mit der Frequenz des genannten Oszillators zerhackt wird.
  • Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise, aber nicht ausschliesslich, zum Betrieb von Gasentladungslampen verwendet werden. In der konventionellen Betriebsart dieser Lampen, nämlich in Serie mit einer Vorschaltdrossel am Netz, folgt der Lichtstrom der Lampe mehr oder weniger der Kurvenform der Netzspannung. Dadurch können unerwünschte Nebenerwcheinungen wie Stroboskopeffekte, Unwohlsein infolge des Flimmerns etc. auftreten.
  • Wenn die Last einem Gleichstromzwischenkreis nach Wechselrichtung durch eine aus vier Schaltern bestehende Brücke gespiesen wird, so ist für die kurze Zeit des Schaltvorganges ein Kommutationskondensator nötig, der während dieser Zeit den Laststrom führt. Dieser Kondensator schütz die Schalter, die zum Beispiel Transistoren sein können, und reduziert die Umschaltverluste. Die beste Wirkung wird mit einem relativ grossen Kommutationskondensator erreicht. Erfolgt allerdings die Kommutierung nicht durch die normalerweise eine induktive Komponente aufweisende Last, zum Beispiel im Leerlauf, so entstehendenden durch das dauernde Umladen des Kondensators über die Transistoren bei der Frequenz von normalerweise einigen zehn Kilohertz hohe Verluste, und zwar proportional zum Wert des Kondensators.
  • Im weiteren zeigt es sich, dass die Kurvenform des Stromes, den eine Schaltung wie oben beschrieben aus dem Netz entnimmt, stark verzerrt ist. Sie besteht aus kurzen, hohen Impulsen mit stromlosen, relativ langen Pausen dazwischen. Die Elektrizitätslieferanten sind im allgemeinen nicht bereit, grössere Anschlussleistungen mit einer so ungünstigen Kurvenform des Stromes zu bewilligen.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Betrieb ohmisch-induktiver Lasten ohne die oben erwähnten Nachteile zu realisieren. Diese Vorrichtung soll einen relativ grossen Kommutationskondensator ohne den Nachteil hoher Leerlaufverlusteraufweisen, einen mindestens annähernd sinusförmigen Strom aus dem Netz ziehen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen, damit eine kompakte Konstruktion ohne Wärmeabfuhrprobleme möglich ist.
  • Zur Erreichung dieses Zieles ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
    • - die Hilfskreise durch eine Versorgungsspannung gespeist sind, welche mindestens auf indirektem Wege vom Strom in der genannten Last bestimmt ist, dass sie
    • - Mittel aufweist um den dem Netz durch die genannte Stromversorgung entnommenen Strom mindestens annähernd sinusförmig zu halten und die Speisespannung für die genannte Last zu erzeugen, welche Mittel einen Sperrwandler enthalten, der an den Ausgang des genannten Gleichrichters geschaltet ist und durch ein Signal aus . einer Steuerschaltung periodisch eingeschaltet wird um den Strom zu zerhacken, der durch den genannten Gleichrichter in einen Kreis geliefert wird, welcher die genannte Last speisen kann, und dass
    • - Mittel vorgesehen sind, um den Wirkungsgrad des genann-Sperrwandlers zu verbessern, die einen Resonanzkreis und einen Nulldurchgangsdetektor für den Resonanzstrom in der Spule des genannten Resonanzkreises enthalten, wobei der genannte Nulldurchgangsdetektor mindestens indirekt beim genannten Nulldurchgang das Einschalten des genannten Sperrwandlers bewirkt.
  • Die oben erwähnten Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung erlauben die Verwendung von beispielsweise Quecksilberdampfhochdrucklampen an Orten und für Zwecke, die bisher undenkbar waren.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels beschrieben, mit Hilfe einer Zeichnung, in der
    • - Figur 1 eine erste Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt,
    • - Figur 2 das Schema einer Schaltung zur Erzielung eines sinusförmigen Netzstromes mit konventioneller Kommutationsbeschaltung zeigt,
    • - Figur 3 den zeitlichen Verlauf der Spannung am Emitter des Transistors S7 und des Kollektorstromes von S7 zeigt,
    • - Figur 4 eine zweite Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt,
    • - Figur 5 den zeitlichen Verlauf der Spannung Uc5 am Kondensator C5, des Stromes IT5 in der Speicherdrossel T5 und die Steuerimpulse IB an der Basis des Transistors S7 im Schema Figur 4 zeigt,
    • - Figur 6 das Blockschema des Steuerkreises des Transistors S7 in Figur 4 zeigt.
  • Figur 1 zeigt, dass die Netzspannung in einem Gleichrichter G gleichgerichtet und mit dem Glättungskondensator C3 geglättet wird, so dass eine Gleichspannung von etwa + 300 V mit einer geringen Restwelligkeit entsteht. Diese Spannung dient zur Speisung der Last L, die in Serie mit der Primärwicklung des Transformators T3, der als Vorschaltdrossel wirkt, in der Diagonale der aus Sl - S4 gebildeten Brücke liegt, wobei die Brückentransistoren über die Sekundärwicklungen der Transformatoren Tl und T2 angesteuert werden. Die Transistoren Sl - S4 sind im weiteren mit den als Freilaufdioden wirkenden, zwischen Emitter und Kollektor liegenden Dioden Dl - D4 beschaltet. Ein Kommutationskondensator Cl liegt ebenfalls in der Diagonale der aus Sl - S4 bestehenden Brücke. Die Sekundärwicklung des Transformators erzeugt nach Gleichrichtung mit der Diode D7 und Glättung durch den Kondensator C2 die Speisespannung von beispielsweise 15 V für die Hilfsschaltung. Ein Widerstand R2 verbindet die positiven Pole der Spannungen von 300 V und 15 V. Die Hilfsschaltung zur Ansteuerung der Brücke besteht aus einem Oszillator mit einer Frequenz von beispielsweise 80 kHz, der auf den Takteingang des D-Flip-Flops FF1 arbeitet, dessen Ausgänge Q und Q die UND-Tore 2 und 3 der noch aus dem UND-Tor 1 bestehenden Logik steuern. Die Eingänge des Tores 1 sind mit dem Oszillator Al und mit dem Schwellwertdetektor oder Schmidttrigger A2 verbunden. Der Ausgang des Schwellwertdetektors wird positiv, wenn die Versorgungsspannung 15 V erreicht und kippt zurück, wenn 10 V unterschritten werden. Ist der Ausgang von A2 positiv, so ist das Tor 1 offen und schaltet das Ausgangssignal des Oszillators zu den Toren 2 und 3 durch. Diese übertragen die Impulse des Oszillators abwechslungsweise auf die Basen der Transistoren S5 und S6, so dass jeder dieser Transistoren ein Ansteuerungssignal mit der halben Oszillatorfrequenz, d. h. beispielsweise 40 kHz, erhält. Die Transistoren S5 und S6 arbeiten auf die Primärwicklungen der Transformatoren Tl und T2. Der Hilfskreis bewirkt daher, dass die Last L über die Vorschaltdrossel T3 eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 40 KHZ und einer Spitzenspannung von etwa 300 V erhält. Während des Abschaltens des stromführenden Transistorpaares (z. B. S2, S3) wird der Laststrom für kurze Zeit vom Kommutierungskondensator Cl übernommen, um nach erfolgter Kommutierung von den Freilaufdioden Dl und D4 geführt zu werden, so dass der Laststrom, der infolge des induktiven Anteils der Last weiterfliesst, jetzt durch Dl, C3, D4 geleitet wird. Nach erfolgter Kommutation, aber vor dem Nulldurchgang des Laststromes wird das andere Transistorpaar, Sl und S4 eingeschaltet.
  • Untersuchen wir nun, was beim Einschalten der Schaltung nach Figur 1 geschieht.
  • Nach Einschalten der Netzspannung entsteht am Gleichrichter G die Zwischenkreisspannung von etwa 300 V, aber die Brücke arbeitet nicht, da keine Speisespannung des Hilfskreises vorhanden ist. Allerdings lädt sich der Glättungskondensator C2 über den Widerstand R2. Die Zeitkonstante R2 C2 ist so gewählt, dass sich C2 praktisch linear in etwa 10 Sekunden auf 15 V auflädt. In diesem Augenblick öffnet der Schwellwertschalter A2 das Tor 1 und gibt damit die Ansteuerung der Transistoren S5 und S6 und damit über Tl und T2 auch der Brückentransistoren Sl - S4 frei. Ist keine Last L vorhanden, so fliesst trotz nun arbeitender Brücke kein Strom durch T3 und an dessen Sekundärwicklung entsteht auch keine Spannung. Der Kondensator C2 entlädt sich sehr schnell über Tl, S5 und T2, S6, der Schwellwertschalter A2 _ kippt zurück und unterbricht die Ansteuerung von S5 und S6. Die Spannung an C2 steigt nun wieder an und das Ganze wiederholt sich, so dass an C2 eine Sägezahnspannung mit einem Spitzenwert von 15 V entsteht. Ohne Last L bleibt die Brücke daher nur sehr kurze Zeit in Betrieb. Das Verhältnis von Betriebs- zu Unterbruchszeit ist sehr klein, so dass im Mittel auch die beim Betrieb ohne Last L durch den Kommutierungskondensator Cl in den Transistoren Sl - S4 verursachten Verluste dementsprechend klein bleiben. Bei auch ohne Last L arbeitender Brücke müsste der Kommutierungskondensator Cl sehr viel kleiner gemacht werden, um die Verluste beim Leerlaufbetrieb in Grenzen zu halten. Diese Verkleinerung bewirkt allerdings beim Betrieb mit Last L höhere Umschaltverluste in den Transistoren Sl - S4. Das vorgestellte Prinzip vermeidet diese Nachteile und führt zu kleinen Verlusten im Leerlauf und im Betrieb.
  • Durch Aufbringen einer Sekundärwicklung auf die Vorschaltdrossel T3 und Verwendung der so gewonnenen, gleichgerichteten Spannung als Spannung von 15 V für den Hilfskreis vermeidet man den sonst notwendigen Einbau einer Zusatzschaltung zum Ein- und Ausschalten der Brücke im Leerlauf sowie einen separaten Netztransformator zu Erzeugung der Spannung von 15 V, was nebst der Kostenreduktion die Vorrichtung kleiner und leichter macht. Die Erfahrung zeigt zudem, dass auch bei starken Schwankungen der Last L, hervorgerufen beispielsweise durch die stark unterschiedlichen Charakteristiken einer Quecksilberdampfhochdrucklampe im warmen und im kalten Zustand, die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators T3 praktisch konstant bleibt.
  • Die Schaltung gemäss Figur 1 hat neben den oben genannten Vorteilen allerdings den Nachteil, dass der vom Netz aufgenommene Strom statt sinusförmig stark verzerrt ist, was, wie oben erwähnt, bei Anlagen mit grösseren Anschlussleistungen von den Elektrizitätslieferanten nicht bewilligt wird und den Einsatz aufwendiger Filtermittel erfordern würde. Um einen uneingeschränkten Einsatz der erfindungsgemässen Vorrichtung zu ermöglichen, ist eine Erzielung eines mindestens annähernd sinusförmigen Stromes von grosser Bedeutung. Ein geeignetes Verfahren besteht darin, dem Gleichrichter G in Figur 1 einen Sperrwandler gemäss Figur 2 nachzuschalten. Der Glättungskondensator C3 in Figur 1 wird stark verkleinert, so dass praktisch keine Glättung, sondern nur noch eine Filterung für höhere Frequenzen stattfindet. Wie in Figur 3a ersichtlich, ist die Eingangsspannung U1 an den Eingängen Bl und B2 des Sperrwandlers eine zweiweggleichgerichtete, nicht geglättete Gleichspannung mit sinusförmigem Verlauf.
  • Der Sperrwandler enthält einen Schalter, zum Beispiel einen Transistor, der durch eine in Figur 2 nicht gezeichnete Steuerschaltung an der Basis Impulse konstanter Dauer erhält. Der Kollektor des Transistors S7 ist mit dem Anschluss Bl und der Emitter über eine Speicherdrossel T5 mit dem Anschluss B2 verbunden. Der Transistor S7 ist geschützt mit einer Schutzdiode D9, die zwischen Kollektor und Emitter geschaltet ist und einem Kommutationsnetzwerk, bestehend aus dem Kommutationskondensator CK, dem Widerstand R und der Diode D8, das parallel zu T5 geschaltet ist. Im weiteren enthält die Schaltung einen Glättungskondensator C4 von relativ grosser Kapazität und eine Gleichrichterdiode D10.
  • Die Funktion des Sperrwandlers gemäss Figur 3 ist folgende:
    • Durch einen Impuls auf die Basis des Transistors S7 wird dieser für die Dauer des Impulses leitend und schaltet die Spannung am Eingang Bl, die je nach momentaner Phasenlage der Netzspannung zwischen 0 und etwa + 300 V variiert, auf die Speicherdrossel T5, deren Strom, wie in Figur 3b gezeigt, linear ansteigt. Der Kondensator C lädt sich über RK bis auf den Wert der Eingangsspannung Ul. Am Ende des Steuerimpulses beginnt der Transistor S7 zu sperren, der Strom durch T5 wird über die Diode D8 vom Kommutationskondensator CK übernommen. Die Spannung am Emitter von S7 wird sehr rasch negativ, und sobald sie negativer ist als die Spannung am Anschluss B3 beginnt die Diode D10 zu leiten, wodurch der durch die Speicherdrossel fliessende Strom den Kondensator C4 auflädt. lnfolge der Uebernahme des im Ausschaltzeitpunkt durch den Transistor S7 fliessenden Stromes durch den Kommutationskondensator CK fällt der Strom durch S7 auf 0, bevor die Kollektor-Emitterspannung von S7 grosse Werte erreicht. Dadurch wird der Transistor S7 geschützt und die Abschaltverlustenergie stark reduziert. Wie in Figur 3b ersichtlich, ist der Strom durch S7 eine Folge von Sägezahnförmigen Impulsen. Nach einer (nicht gezeichneten) Filterung zur Elimination der hochfrequenten Anteile wird der vom Netz aufgenommene Strom praktisch sinusförmig.
  • Die Schaltung gemäss Figur 2 hat allerdings den Nachteil, dass jedesmal nach dem Einschalten des Transitors S7 der Kommutierungskondensator CK über den Widerstand RK wieder auf den Wert von Ul geladen werden muss, was bei Frequenzen von einigen zehn KHz zu beträchtlichen Verlusten in R führt und damit den Gesamtwirkungsgrad erheblich verschlechtert. Das Schema in Figur 4 zeigt eine verbesserte Version des Sperrwandlers, die die Verluste in RK eliminiert. Man erkennt den bekannten Gleichrichter G, die Brücke mit den Transistoren Sl - S4, deren Funktion bekannt ist und nicht mehr besprochen wird. Die Brücke und damit indirekt auch die Last L werden gespiesen durch die negative Spannung U2 an C4. Der Sperrwandler wurde ergänzt durch eine Sättigungsdrossel T4 in Serie zur Speicherdrossel T5, die auch eine Sekundärwicklung enthalten kann. Das Kommutierungsnetzwerk CK, R und D8 aus Figur 2 wurden ersetzt durch den Kommutierungskondensator C5, der parallel zu den Drosseln T4 und T5 geschaltet ist und mit diesen einen Resonanzkreis bildet. Die anderen Elemente, wie S7, D9, D10 und C4 sind gleich wie in Figur 2. Der Transistor S7 wird durch die Sekundärwicklung des Transformators T7, der zum hier nicht gezeichneten Steuerkreis des Sperrwandlers gehört, angesteuert. Die Funktion des Sperrwandlers in Figur 4 wird erklärt anhand des Diagramms Figur 5.
  • Während der Zeit tl leitet S7, die Ausgangsspannung Ul des Gleichrichters G wird auf T5 geschaltet und der Strom in dieser Speicherdrossel steigt linear an, wie in Figur 5b dargestellt. Am Ende von tl wird der Basisstrom von S7 null und der Transistor sperrt. Der weiterhin fliessende Strom in T5 wird vom Kommutierungskondensator C5 übernommen, wobei die Spannung am Emitter von S7 rasch vom positiven Wert von Ul auf den negativen Wert von U2 (- 300 V) sinkt. Da die Spannung U2 konstant ist, nimmt der Strom IT5 während der Zeit t2 linear ab. Am Ende der Zeit t2 wird der Strom IT5 null, und der Kondensator C5 ist, ebenso wie C4, auf die Spannung U2 aufgeladen. Der Kondensator C5 beginnt sich nun durch T4 und T5 zu entladen, was während der durch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmten Zeit t3 zu einem umgekehrten Strom durch T4 und T5 führt. Am Ende von t3 ist der Kondensator C5 vollständig entladen und der umgekehrte Strom durch T4 und T5 maximal. Dieser Strom fliesst weiter und lädt nun C5 während der Zeit t4 positiv auf, wobei t4 ebenfalls von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises abhängt. Wenn die positive Spannung an C5 den Wert Ul erreicht hat, beginnt die Diode D9 zu leiten und hält die Spannung an C5 auf diesem Wert. Am Ende von t4 geht der Strom durch T4 und T5 durch nuil. Dieser Nulldruchgang wird von einem Nulldurchgangsdetektor, der nicht gezeichnet ist, aber von dem die Sättigungsdrossel T4 ein Teil ist, festgestellt und damit der nächste Impuls auf die Basis von S7 ausgelöst, womit der nächste Zyklus beginnt. Die Impulsdauer und die Repetitionsfrequenz bleiben annähernd konstant. In Figur 5a ist ersichtlich, dass am Ende der Zeit t4, wenn der Transistor S7 wieder einschaltet, die Spannung an C5 gleich Ul ist, so dass der Kondensator C5 beim Einschalten von S7 nicht geladen werden muss und somit jeder Verlust entfällt. So ergibt die Schaltung gemäss Figur 4 eine sinusförmige Stromaufnahme aus den Netz und sehr geringe Umschaltverluste. Die Schaltung nach Figur 4 hat folgende Vorteile:
    • - Der Kommutierungskondensator C5 kann relativ gross gewählt werden, was die Kommutierungsverluste in S7 gering hält.
    • - Es entstehen keine Umladeverluste in einem Ladewiderstand für C5.
    • - Der dem Netz entnommene Strom ist annähernd sinusförmig.
  • Im weiteren ist in Figur 4 ersichtlich, dass die Spannungsversorgung der Hilfskreise über eine Sekundärwicklung der Speicherdrossel T5 erfolgen kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Spannung aus einer Sekundärwicklung von T6 zu beziehen (nicht gezeichnet), womit das Prinzip von Figur 1 auch hier angewendet würde.
  • Figur 6 zeigt das Blockschema der Steuerschaltung für den Transistor S7 in Figur 4. Der Nulldurchgangsdetektor 4 des Stromes in T5 löst bei jedem positiven Nulldurchgang durch den Verstärker 6 einen Impuls an die Basis des Transistors S7 aus.
  • Die Breite dieses Impulses wird durch den Pulsbreitenmodulator 5 bestimmt, dessen Modulationseingang mit dem Ausgang des Spannungsreglers 7 verbunden ist, der die Spannung U2 an den Anschlüssen des Kondensators C4 konstant hält. Für eine konstante Last und Eingangsspannung bleibt, wie bereits erwähnt, die Impulsdauer konstant.
  • Die oben beschriebene Erfindung ist nicht auf eine Vorrichtung zum Betrieb von Quecksilberdampfhochdrucklampen beschränkt, sie kann vielmehr für jede induktive oder ohmisch-induktive Last verwendet werden. Die Schaltung zur Erzielung eines sinusförmigen Netzstromes kann für jede Anwendung mit einem Gleichstromzwischenkreis eingesetzt werden. Es ergeben sich verschiedene Vorteile in bezug auf neue Möglichkeiten, besseren Wirkungsgrad, geringere Kosten.

Claims (10)

1. Stromversorgung für eine ohmisch-induktive Last, mit einem Gleichrichter, Filtermitteln und Hilfskreisen, die unter anderem einen Oszillator, welcher Schaltmittel steuert, aufweisen und Schalter, die durch die genannten Schaltmittel gesteuert werden um die genannte Last mit Hilfe der Spannung zu speisen, die mindestens auf indirektem Wege durch den genannten Gleichrichter geliefert und durch die genannten Schaltmittel mit der Frequenz des genannten Oszillators zerhackt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hilfskreise (A1, A2, FFl, S5, S6) durch eine Versorgungsspannung gespeist sind, welche mindestens auf indirektem Wege vom Strom in der genannten Last (L) bestimmt ist, dass sie Mittel aufweist um den dem Netz durch die genannte Stromversorgung entnommenen Strom mindestens annähernd sinusförmig zu halten und die Speisespannung für die genannte Last zu erzeugen, welche Mittel einen Sperrwandler enthalten, der an den Ausgang des genannten Gleichrichters geschaltet ist und durch ein Signal aus einer Steuerschaltung (5, 6, 7) periodisch eingeschaltet wird um den Strom zu zerhacken, der durch den genannten Gleichrichter in einen Kreis (T5, C4) geliefert wird, welcher die genannte Last speisen kann, und dass Mittel vorgesehen sind, um den Wirkungsgrad des genannten Sperrwandlers zu verbessern, die einen Resonanzkreis (C5, T5, T4) und einen Nulldurchgangsdetektor (4) für den Resonanzstrom in der Spule (T5, T4) des genannten Resonanzkreises enthalten, wobei der genannte Nulldurchgangsdetektor mindestens indirekt beim genannten Nulldurchgang das Einschalten des genannten Sperrwandlers bewirkt.
2. Stromversorgung gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Versorgungsspannung der Hilfskreise durch eine Sekundärwicklung eines Transformators (T3), dessen Primärwicklung in Serie zur Last (Ll liegt und als Drossel dient, nach Gleichrichtung durch eine Diode (D7) und Glättung durch einen Kondensator (C2) erzeugt wird.
3. Anordnung gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Versorgungsspannung der Hilfskreise durch eine Sekundärwicklung eines Transformators (T5), dessen Primärwicklung als Speicherdrossel des genannten Sperrwandlers, der den genannten Schaltern (Sl - S4) vorgeschaltet ist, dient, nach Gleichrichtung durch eine Diode (D7) und Glättung durch einen Kondensator (C2) erhalten wird.
4. Anordnung gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die genannten Hilfskreise einen Oszillator (A1) enthalten, dessen Ausgangssignal mit Hilfe einer Logik (FF1, 1, 2, 3) und mindestens mittelbar auf zwei Transformatoren (Tl, T2), deren Sekundärwicklungen die genannten Schalter (Sl - S4) steuern, geschaltet ist, wobei die genannte Logik durch einen Schwellenschalter (A2) in Funktion der genannten Versorggungsspannung der genannten Hilfskreise gesteuert wird.
5. Anordnung gemäss Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet,
dass der genannte Sperrwandler ein Schaltelement (S7), gesteuert durch eine Steuerschaltung (5, 6, 7) und geschützt durch einen Kommutationskondensator (Ck bzw. C5), sowie eine Speicherdrossel (T5), die durch das genannte Schaltelement (S7) sägezahnförmige Stromimpulse erhält, wobei sich die in der genannten Speicherdrossel gespeicherte Energie durch eine Diode (D10) auf einen Glättungskondensator (C4) entlädt, enthält.
6. Anordnung gemäss den Ansprüchen 1 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der genannte Nulldurchgangsdetektor eine Sättigungsdrossel (T4) in Serie mit der genannten Speicherdrossel (T5) enthält.
7. Anordnung gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der genannte Sperrwandler durch einen Gleichrichter (G) eine zweiweggleichgerichtete, sinusförmige Eingangsspannung erhält.
8. Anordnung gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das genannte Steuersignal aus der genannten Steuerschaltung (5, 6, 7) aus Impulsen annähernd konstanter Länge und Repetitionsfrequenz besteht.
9. Anordnung gemäss Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Impulslänge durch einen Spannungs- Q regler (7) in Funktion der Eingangsspannung und der Last (L) eingestellt wird.
10. Anordnung gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Steuerschaltung einen Pulsbreitenmodulator (5) enthält, dessen Impulse durch den genannten Nulldurchgangsdetektor (4) ausgelöst werden und die nach Verstärkung in einem Verstärker (6) den Schalter (S7) des Sperrwandlers steuern und deren Länge durch den genannten Spannungsregler (7) in Funktion der Eingangsspannung und der Last (L) geregelt wird.
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